イオン化された試料を分離する部位であり、質量電荷比の近いピークを区別する能力（質量分解能）と測定可能質量範囲の二つの要素が重要である。要求される特性によって、磁場偏向型、四重極型、イオントラップ型、飛行時間型、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴型などの方法が使い分けられる。
磁場偏向型は、イオンを磁場中に通し、その際に受けるローレンツ力による飛行経路の変化を利用する分析法である。二重収束型は磁場偏向型の一種で、磁場と電場の両方にイオンを通すことでイオンの初期角度の拡がりと初期エネルギーの拡がりを収束させる（二重収束）ことができるため、高分解能測定が可能になる。小数点以下4桁の高分解能が得られるため、ミリマス測定が可能。
四重極型 (Quadrupole, Q) は、イオンを4本の電極内に通し、電極に高周波電圧を印加することで試料に摂動をかけ、目的とするイオンのみを通過させる分析法である。測定可能な質量範囲はm/z4000程度まで。イオンビームが通過中に電圧を変化させることで通過できるイオンの質量電荷比が変化し、マススペクトルを得ることができる。小型で比較的安価であり、また高速走査ができるため LC/MS などに適している。一方、質量走査範囲が狭く、測定元素への干渉を引き起こし分解能もあまり良くないのが欠点である。
イオントラップ型は、イオンを電極からなるトラップ室に保持し、この電位を変化させることで選択的にイオンを放出することで分離を行う。比較的安価で分解能も高いが、定量性の低さが欠点である。
飛行時間型 (Time-of-Flight, TOF) は、イオン化した試料をパルス的に加速し、検出器に到達するまでの時間差を検出する。すなわち、イオンが受け取るエネルギーは電荷量が等しければ一定であるため、質量電荷比が大きいものほど飛行速度が遅くなり、検出器に到達するまで時間がかかる。この時間差を検出することで質量を割り出すことができる。原理上測定可能な質量範囲に制限がなく、また高感度である。
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フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴型 (Fourier-Transform Ion Cyclotron Resonance, FT-ICR) は、イオンを静電場と静磁場のかかったセルに導入し、イオン運動を励起するための高周波電圧を印加してイオンの周回周期を検出し、サイクロトロン条件から質量を算出するものである。極めて高分解能でありミリマス測定が可能であるが、価格が高い。
タンデム型は、上記の分析法を複数組み合わせる方法である（イオントラップと FT-ICR は単一の装置でタンデム質量分析が可能）。まず第一の分析計で特定のイオンだけを取り出し、これを何らかの手段で解裂させ、生じたフラグメントイオンを第二の質量計で分析する。試料が混合物の時や生体分子の構造解析などに利用される。一般に MS/MS （マスマスあるいはエムエスエムエス）と呼びあらわす。
以上の「イオン源」と「分析計」の間にはかなりの相性がある。特に MALDI-TOF の組み合わせは、”高分子量まで適用できるイオン源”－”高分子量まで適用できる分析計”であるため、それ以前は困難であった高分子（ポリマーや、タンパク等）の分析において有名となった。現在においても、よく用いられている。